Die Hypertrophe Kardiomyopathie (Hypertrophic Cardiomyopathy, HCM) ist eine Erkrankung des Herzens, die durch eine Hypertrophie des Myokards und einem erhöhten Risiko für den plöztlichen Herztod charakteriziert ist. Die Erkrankung wird autosomal-dominant vererbt. Neun HCM-assozierte Genen wurden bisher beschrieben, die alle für Sarkomer-Proteine kodierend. Mutationen in den Genen für die essentielle (ELC) und regulatorische (RLC) leichte Myosin-Kette sind für ca. 1% bzw. 1-7% aller HCM-Fälle verantwortlich. Bisher gibt es nur wenige Informationen zum Krankheitsverlauf und zur Prognose bei HCM-Formen, die durch Mutationen in diesen Genen verursacht werden. Ziel dieser Studie war daher, das ELC- bzw. RLC-Gen in einem Kollektiv klinisch gut charakterisierter HCM-Patienten hinsichtlich möglicher krankheitsverursachender Mutationen zu analysieren. Darüber hinaus sollte untersucht werden, ob die hier identifizierten Mutationen mit einem malignen bzw. benignen Phönotyp assoziiert sind. Methoden: 71 unverwandete Patienten mit primärer HCM wurden mittels körperlicher Untersuchung, EKG und Echokardiographie evaluiert. Die aus Blutlymphozyten extrahierte DNA wurde mittels exonspezifischer PCR-Amplifikation und Single-strand-conformation-polymorphism (SSCP) Analyse auf Mutationen in den 6 Exons des ELC- und 7 Exons des RLC-Gens untersucht. Proben mit auffälligen Bandenmustern wurden direkt sequenziert. Ergebnisse: Die systematische Analyse ergab zwei krankheitsassoziierte Mutationen im RLC-Gen, die zu einem Aminosäurenaustausch führen. Im ELC-Gen wurden keine Mutationen gefunden. Die erste Mutation im RLC-Gen ist ein G zu A-Basenaustausch an Position c.64 im Exon 2, der zu einem Austausch von Glutamat durch Lysin im Codon 22 führt. Die zweite Variante verursacht eine Argininsubstitution durch Glutamin im Codon 58 aufgrund eines Basenpaaraustausches an Position c.173 im Exon 4 (G zu A). Beide Mutationen betreffen hoch-konservierte Aminosäuren in der amino-terminalen Domöne des RLC in der Nähe von möglichen Phosphorylierungs- bzw. Kalcium-Bindungsstellen. Zusätzlich wird die elektrische Ladung dieser Proteinregion durch den Aminosäurenaustausch verändert. Die Glu22Lys-Mutationen konnte in sieben Individuen der Familie K identifiziert werden und ist mit einer geringen septalen Hypertrophie, einer späten klinischen Manifestation sowie einem benignen Verlauf und einer guten Prognose assoziiert. Die Arg58Gln-Mutation ist ebenfalls mit einer moderaten Septumhypertrophie aber mit einem frühen Krankheitsbeginn und einem vorzeitigen Auftreten eines plätzlichen Herztodes in der Familie B assoziiert. Zusätzlich wurden mehrere Abweichungen von der Referenz-Sequenz, eine stumme Mutation sowie zwei "Single Nucleotide Polymorphisms" (SNPs) während des Screenings in beiden Genen identifiziert. Die SNPs verursachen keinen Aminosäureaustausch und beeinflussen nicht den Splei§vorgang, soweit dies durch ihre Lokalisation vorhersagbar ist. Schlussfolgerung: Zwei missense Mutationen konnten in der regulatorischen leichten Myosinkette identifiziert und sowohl mit einem benignen als auch einem malignen HCM-Phänotyp assoziiert werden. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Genotypisierung wertvolle Informationen für die Risikostratifizierung, die genetische Beratung sowie für Therapiestrategien in der Hypertrophe Kardiomyopathie liefern kann. / Hypertrophic cardiomyopathy (HCM) is a heart disorder characterized by unexplained ventricular myocardial hypertrophy and a high risk of sudden cardiac death. The disease is inherited as an autosomal-dominant trait. Nine disease-causing genes have been described all encoding for sarcomeric proteins. Mutations in the ventricular myosin essential (ELC) and regulatory (RLC) light chain genes are responsible approximately for 1% and 1 - 7% of all HCM cases, respectively. Limited data are available on the disease course and prognosis in HCM caused by mutations in these genes. Therefore, the present study was aimed to analyse the ELC and RLC genes for disease-causing mutations in a group of clinically well-characterized HCM patients. Further purpose was to assess whether the detected mutations are associated with malignant or benign phenotype in the respective families. Methods: 71 unrelated patients with HCM and 14 family members were evaluated using physical examination, ECG and echocardiography. DNA was extracted from blood lymphocytes. Screening of the 6 exons of the ELC gene and the 7 exons of the RLC gene was done by using PCR and single strand conformation polymorphism analysis (SSCP). Samples with aberrant band patterns were directly sequenced. Results: Systematic analysis revealed no mutation in the ELC gene but two disease-associated mutations leading to an amino acid exchange in the RLC gene. The first mutation was found in exon 2 of the RLC gene: a G>A nucleotide substitution at position c.64 caused a replacement of glutamic acid by lysine at codon 22. The second mutation was in exon 4 of the RLC gene: a G>A substitution at nucleotide c.173 led to a change of arginine to glutamine at codon 58. Both mutations affected highly conserved amino acids and were located in the amino terminal half of the RLC close to the putative phosphorylation and calcium-binding sites. They also changed overall electrical charge of this protein region. The Glu22Lys mutation was identified in seven individuals of family K and was associated with moderate septal hypertrophy, a late onset of clinical manifestation, benign disease course, and good prognosis. The mutation Arg58Gln showed also moderate septal hypertrophy, but, in contrast, it was associated with an early onset of clinical manifestation and premature sudden cardiac death in family B. Additionally, a number of sequence differences from reference genomic sequences, one silent mutation, and two single nucleotide polymorphisms (SNPs) were identified while screening the ELC and RLC genes. Detected SNPs did not cause an amino acid exchange and did not affect splicing process proceeding from their localisation. Conclusions: Two missense mutations were identified in the ventricular myosin regulatory light chain gene and associated with either benign or malignant HCM phenotypes. These findings show that genotyping could give valuable information for risk stratification, genetic counselling, and treatment strategies in hypertrophic cardiomyopathy.

Die Untersuchung kausaler Zusammenhänge in komplexen dynamischen Systemen spielt in der Wissenschaft eine immer wichtigere Rolle. Ziel dieses aktuellen, interdisziplinären Forschungsbereiches ist ein grundlegendes, tiefes Verständnis der vorherrschenden Prozesse und deren Wechselwirkungen in solchen Systemen. Die Untersuchung von Zeitreihen mithilfe moderner Kopplungsanalysemethoden liefert dabei Möglichkeiten zur Modellierung der betreffenden Systeme und somit bessere Vorhersagemethoden und fortgeschrittene Interpretationsmöglichkeiten der Ergebnisse. In der vorliegenden Arbeit werden zunächst einige existierende Kopplungsmaße mit ihren jeweiligen Anwendungsgebieten vorgestellt. Eine Gemeinsamkeit dieser Maße liegt in der Voraussetzung stationärer Zeitreihen, um die Anwendbarkeit zu gewährleisten. Daher wird im Verlauf der Dissertation eine Möglichkeit zur Erweiterung solcher Maße vorgestellt, die eine Kopplungsanalyse mit einer sehr hohen Zeitauflösung und somit auch die Untersuchung nichtstationärer, transienter Ereignisse ermöglicht. Die Erweiterung basiert auf der Verwendung von Ensembles von Messreihen und der Schätzung der jeweiligen Maße über das Ensemble anstatt über die Zeit. Dies ermöglicht eine Zeitauflösung bei der Analyse in der Größenordnung der Abtastrate des ursprünglichen Signals, die nur von der Art der verwendeten Kopplungsmaße abhängt. Der Ensemble-Ansatz wird auf verschiedene Kopplungsmaße angewandt. Zunächst werden die Methoden ausführlich an verschiedenen theoretischen Modellen und unter verschiedenen Bedingungen getestet. Anschließend erfolgt eine zeitaufgelöste Kopplungsanalyse kardiovaskulärer Zeitreihen, die während transienter Ereignisse aufgenommen wurden. Die Ergebnisse dieser Analyse bestätigen zum einen aktuelle Studienresultate, liefern aber auch neue Erkenntnisse, die es in Zukunft ermöglichen können, Modelle des Herz-Kreislauf-Systems zu erweitern und zu verbessern. / The analysis of causal relationships in complex dynamic systems plays a more and more important role in various scientific fields. The aim of this current, interdisciplinary field of research is a fundamental, deep understanding of predominant processes and their interactions in such systems. The study of time series using modern coupling analysis tools allows the modelling of the respective systems and thus better prediction methods and advanced interpretation possibilities for the results. In this work, initially some existing coupling measures and their fields of application are introduced. One trait these measures have in common is the requirement of stationary time series to ensure their applicability. Therefore, in the course of this thesis a possibility to extend these measures is presented, which allows a coupling analysis with a high temporal resolution and thus also the analysis of transient, nonstationary events. The extension is based on the use of ensembles of time series and the calculation of the respective measures across these ensembles instead of across time. This allows for a temporal resolution of the same order of magnitude as the sampling rate in the original signal. The resolution only depends on the kind of coupling analysis method employed. The ensemble extension is applied to different coupling measures. To begin with, the regarded tools are tested on various theoretical models and under different conditions. This is followed by a coupling analysis of cardiovascular time series recorded during transient events. The results on the one hand confirm topical study outcomes and on the other hand deliver new insights, which will allow to extend and improve cardiovascular system models in the future.

Es wurden die Effekte von Plättchenaktivierendem Faktor (PAF, 1-O-Alkyl-2-azetyl-sn-glyzero-3-phosphocholin) auf intrazelluläre Kalziumkonzentration und Zelllänge isolierter und feldstimulierter Kardiomyozyten der Ratte untersucht. Intrazelluläre Kalziumkonzentration und Zelllänge der feldstimulierten Zellen wurden mittels Laser-Raster-Mikroskopie simultan unter Verwendung des Kalzium-Fluoreszenzfarbstoffes Fluo-3 bestimmt. PAF (0.001nM - 10nM) inhibierte den systolischen Anstieg der intrazellulären Kalziumkonzentration zeit- und konzentrationsabhängig. Die maximalen Effekte wurden nach einer Inkubationszeit von 6-8 min beobachtet. Es kam zu 17% (0.001nM), 41% (0.1nM) und 52% (10nM PAF) Reduktion des systolischen Kalziumanstiegs. Zusätzlich konnte eine zeit- und konzentrationsabhängige Verringerung der simultan gemessenen Zellverkürzung nachgewiesen werden. Die Zellverkürzung war nach einer Inkubationszeit von 8 min um 10% (0.001nM), 32% (0.1nM) und 50% (10nM PAF) reduziert. Die Wirkungen von PAF konnten durch den Einsatz des spezifischen PAF-Rezeptorantagonisten WEB 2170 inhibiert werden. Diese Ergebnisse zeigen einen rezeptorvermittelten negativ inotropen Effekt von PAF, hervorgerufen durch eine Verringerung der systolischen intrazellulären Kalziumkonzentration ohne Desensibilisierung der Myofilamente. / We investigated the effects of platelet-activating factor (PAF, 1-O-alkyl-2-acetyl-sn-glycero-3-phosphocholine) on intracellular calciumconcentration and cell length in isolated and field-stimulated rat cardiomyocytes. Intracellular calciumconcentration and cell length of field-stimulated cells were determined simultaneously by confocal laser scan microscopy by using the fluorescent calcium dye Fluo-3. PAF (0.001nM - 10nM) inhibited systolic intracellular calciumconcentration increase in a time- and concentration-dependent manner. Maximal effects were observed after an incubation time of 6-8 min, resulting in a 17% (0.001nM), 41% (0.1nM) and 52% (10nM PAF) inhibiton of systolic calcium increase. A time- and concentration-dependent decrease in simultaneously measured cell shortening also was demonstrated. Cell shortening was inhibited by 10% (0.001nM), 32% (0.1nM) and 50% (10nM PAF) after an incubation time of 8 min. The effects of PAF could be antagonized by the PAF-receptor antagonist WEB 2170. These data demonstrate that PAF receptor-dependently induces a negativ inotropic effect, which is correlated with a decrease in systolic intracellular calciumconcentration and is most likely not due to a decrease in myofilament sensitivity.